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Fuel evaporation is an important preparatory operation for reforming and combustion processes relying on the use of liquid fuels. Mixture preparation is fundamental to control combustion emissions and to reduce the risk of particulate formation in reformer reactors for hydrogen production: fuel evaporation constitutes a solution for effective mixture preparation.
Direct evaporation of heavy hydrocarbons suffers from the tendency to soot formation. The Fraunhofer Institut für Solare Energiesysteme (ISE) in Freiburg has developed and patented an innovative process to evaporate fuels without any carbon creation. The system is based on a catalytic process and relies only on fuel and air supply. The heat required by the evaporation is provided by oxidation of a small portion of the fuel itself. The fuel vapour obtained contains products from partial oxidation and cracking reactions, which constitutes an additional advantage over electrical evaporated fuel in downstream applications such as combustion processes or reforming.
The review of the available experimental data underlines the dependency of the evaporation performance on the air distribution system. Simulations of the air flow field inside the reactor have been performed to qualitatively characterise the impact of different air distribution solutions. On the other side, experiments have been run on an existing testing rig. The vaporized fuel composition has been analysed by means of gas chromatography (gas phase) and gas chromatography-mass spectroscopy (condensable phase). Both simulations and experiments have considered different operating conditions. The air injection and distribution, the influence of power and stoichiometry have been assessed when interpreting the coupled results.
On the basis of the understanding of the system operation so far gained, guidelines for the air intake optimization and further development of the system are finally given.

L’evaporazione di combustibili è un’importante operazione preliminare per i processi di combustione e reforming utilizzanti combustibili liquidi. La preparazione della miscela reagente è fondamentale per controllare le emissioni generate dalla combustione e per ridurre il rischio di formazione di particolato in reattori di reforming per la produzione d’idrogeno: l’evaporazione del combustibile fornisce una soluzione per un’efficace miscelazione dei reagenti.
L’evaporazione diretta di idrocarburi pesanti è affetta dalla tendenza alla formazione di particolato. Il Fraunhofer Institut für Solare Energiesysteme (ISE) di Friburgo (Germania) ha sviluppato e brevettato un processo innovativo per evaporare combustibili privo di generazione di particolato. Il sistema si basa su un processo catalitico e richiede solo il combustibile e aria in ingresso. L’energia necessaria all’evaporazione è fornita dall’ossidazione di una parte del combustibile stesso. Il vapore così ottenuto contiene prodotti delle reazioni di ossidazione parziale e cracking; ciò costituisce un ulteriore vantaggio rispetto all’evaporazione con energia elettrica in applicazioni successive come combustione o reforming.
L’analisi dei risultati sperimentali disponibili evidenzia la dipendenza della prestazione dell’evaporatore dal sistema di distribuzione dell’aria. A livello numerico, sono state eseguite simulazioni del campo di moto dell’aria nel reattore per caratterizzare qualitativamente l’impatto di diverse soluzioni per la distribuzione dell’aria. Inoltre, sono stati eseguiti specifici test su un apparato sperimentale già esistente. La composizione del combustibile evaporato è stata analizzata utilizzando un gas cromatografo (per la fase gassosa) e un gas cromatografo con spettroscopia di massa (per la fase condensabile a temperatura ambiente). Sia le simulazioni che le prove sperimentali hanno preso in considerazione diverse condizioni operative. L’iniezione e distribuzione dell’aria, così come l’influenza del livello di potenza e del rapporto stechiometrico aria-combustibile sono stati valutati al momento di interpretare i risultati.
Sulla base della comprensione del funzionamento del sistema così ottenuta, sono state infine avanzate proposte per l’ottimizzazione del sistema di distribuzione dell’aria e prospettive di ulteriore sviluppo del sistema.